JP2004163036A

JP2004163036A - 複列型熱交換器

Info

Publication number: JP2004163036A
Application number: JP2002331041A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamaguchi; 博志山口; Kazuki Kita; 加寿紀北
Original assignee: Japan Climate Systems Corp
Current assignee: Japan Climate Systems Corp
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】一対のタンク部間に空気の流れる方向と直交するように積層されたチューブが少なくとも２列連結され、これらのチューブ間にフィンを配設して構成される複列型熱交換器において、熱交換器１全体を大きくすることなく、管内圧損を低減する。
【解決手段】冷媒が同時に流れる風下側チューブ２ａ，２ａ，…の全通路断面積と風上側チューブ２ｂ，２ｂ，…の全通路断面積とを、風下側全通路断面積／風上側全通路断面積＝４０〜８０％とし、フィン３，３，…が占める開口面積と全てのチューブ２ａ，２ａ，…（２ｂ，２ｂ，…）及びフィン３，３，…が占める全開口面積との比を、フィン開口面積／全開口面積＝７０％以下とし、コア幅を４０ｍｍ以下とする。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気の流れる方向と直交するように積層されたチューブを複列配設した熱交換器に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、風上側と風下側とでチューブの積層段数が同一であり、冷媒が同時に流れる冷媒通路断面積が風下側と風上側とで同じ熱交換器は知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
最近では、熱交換器の小型化傾向のためにチューブの幅（コア幅）が小さくされている。その結果として、管内断面積が小さくなって冷媒通路断面積が減少し、管内圧損が増加して性能低下を招くという問題がある。
【０００４】
そこで、従来、フィン高さを低くして、フィン及びチューブの積層本数を増加させ、冷媒通路の全通路断面積を増やすようにしている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−１７０８５０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術のもののように、単にフィン及びチューブの積層本数を増やしただけでは管内圧損は十分に減少されず、熱交換効率改善の効果が小さい上、コストアップにもなる。
【０００７】
また、通常、風下側（冷媒の上流側）では、冷媒は液冷媒の割合が高いので、流速は遅くて管内圧損はそれほど問題とならないが、風上側（冷媒の下流側）では、冷媒が蒸発することでガス化して流速が上昇し、管内圧損が増加する。
【０００８】
本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、風上側と風下側とで管内圧損が問題となる度合が異なることに着目し、熱交換器全体を大きくすることなく、管内圧損を低減できる高性能でコンパクトな熱交換器を実現しようとすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明では、一対のタンク部間に空気の流れる方向と直交するように積層されたチューブが少なくとも２列連結され、該チューブ間にフィンを配設して構成される複列型熱交換器において、複数のチューブの列は風下側及び風上側に２分され、冷媒が同時に流れる風下側チューブの全通路断面積と風上側チューブの全通路断面積とが、風下側全通路断面積／風上側全通路断面積＝４０〜８０％（４０％以上でかつ８０％以下）であり、フィンが占める開口面積と全てのチューブ及びフィンが占める全開口面積との比が、フィン開口面積／全開口面積＝７０％以下であり、コア幅が４０ｍｍ以下とする。
【００１０】
上記の構成によると、コア幅を４０ｍｍ以下に薄くすることで、主に風上側で管内圧損が問題となるが、風下側全通路断面積／風上側全通路断面積＝４０〜８０％とすることで風上側の冷媒通路断面積を相対的に増加させているので、全体として管内圧損を低減できる。また、フィン開口面積／全開口面積＝７０％以下とすることで、チューブの割合を一定以上に保って、熱交換効率の悪化を防ぐことができる。したがって、高性能でコンパクトな熱交換器を実現することができる。
【００１１】
請求項２の発明では、冷媒が同時に流れる複数のチューブを風下側に１列配設するとともに、風上側に少なくとも２列配設する構成とする。
【００１２】
上記の構成によると、冷媒が同時に流れる複数のチューブを下流側の風上側に少なくとも２列配設しているので、上流側の風下側に比べて冷媒通路断面積を大きくでき、管内圧損を効果的に低減できる。
【００１３】
請求項３の発明では、風上側及び風下側にそれぞれ１列の冷媒通路が形成され、該冷媒通路にそれぞれ仕切を設け、冷媒が、風下側冷媒通路に導入されて該風下側冷媒通路内をＵターンして流れ、風上側冷媒通路に移されて該風上側冷媒通路をＵターンして流れて出て行くものであって、風下側冷媒通路は３パス通路で構成されるとともに、風上側冷媒通路は２パスで構成されているとする。
【００１４】
上記の構成によると、風下側及び風上側の冷媒通路の仕切をそれぞれ別々に設けることにより、風下側冷媒通路を３パス通路で、また風上側冷媒通路を２パスでそれぞれ構成することし、冷媒が同時に流れるチューブの本数を風下側で全体の略１／３とし、風上側で全体の略１／２とすることで、冷媒が同時に流れる風上側通路断面積を風下側通路断面積に対して大きくすることができる。よって、簡単な構成で下流側の冷媒通路の管内圧損を上流側の冷媒通路に比べて低減することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
以下に、本発明の実施形態１を図面に基づいて説明する。図１〜図３は、実施形態１に係る複列型熱交換器１（以下、単に熱交換器という）を示し、この熱交換器１は、例えば車両用空気調和器における冷凍サイクルのエバポレータを構成するもので、内部を流れる冷媒と通過する空気とを熱交換させて冷媒を蒸発気化させて空気を冷却するようになっている。そして、この熱交換器１は、例えば車両の車室内前側に設置された空調ダクト（図示せず）内に、空気の流れ方向に対して直交するように取り付けられている。
【００１６】
上記熱交換器１には、空気の流れる方向（矢印Ｃ）に直交するように積層された２列の風下側チューブ２ａ，２ａ，…と風上側チューブ２ｂ，２ｂ，…とが風下側及び風上側に並ぶように設けられている。その各チューブ２ａ，２ｂ間に１つのフィン３が設けられている。そして、風下側に積層された風下側チューブ２ａ，２ａ，…の上下両端部にはタンク部８，９が、また風上側の積層された風上側チューブ２ｂ，２ｂ，…の上下両端部にはタンク部６，７がそれぞれ設けられている。なお、図２には、タンク部６〜９は省略されている。
【００１７】
そして、風上側下部タンク部７及び風下側上部タンク部８は、長手方向略中央部に設けられた仕切１２によって長手方向に内部が連通しないように、第１タンク部及び第２タンク部７ａ，７ｂ、８ａ，８ｂにそれぞれ区切られている。
【００１８】
そして、風下側上部タンク部８の第１タンク部８ａに冷媒の入口部１４が、また風上側下部タンク７の第１タンク部７ａに冷媒の出口部１５がそれぞれ設けられている。
【００１９】
そして、本発明の特徴として、上記風上側チューブ２ｂの幅Ｌ２が風下側チューブ２ａの幅Ｌ１よりも大きくなっている（Ｌ２＞Ｌ１）。
【００２０】
また、上記各チューブ２ａ，２ｂ及びフィン３の空気の流れる方向Ｃと平行な方向（積層方向と垂直な方向）の幅であるコア幅Ｌは４０ｍｍ以下となっている。
【００２１】
さらに、空気の流れる方向Ｃに直交する面のフィン３，３，…が占めるフィン開口面積と全チューブ２ａ，２ａ，…（２ｂ，２ｂ，…）及びフィン３，３，…が占める全開口面積との比は、フィン開口面積／全開口面積＝７０％以下となっている。好ましくは、フィン開口面積／全開口面積の下限を４０％とするのがよい。
【００２２】
ここで、上記フィン開口面積は、図２に示すように、Ｈ×ｗ×フィン数であり、全開口面積はＨ×Ｗである。Ｈはチューブ２ａ（２ｂ）の高さを、ｗは各チューブ２ａ，２ａ（２ｂ，２ｂ）間の積層方向の隙間を、Ｗは両外端の各チューブ２ａ，２ａ（２ｂ，２ｂ）間の積層方向の幅をそれぞれ示す。
【００２３】
次に、本実施形態１に係る熱交換器１の作動について説明すると、図１に示すように、冷媒は、入口部１４から風下側上部タンク部８の第１タンク部８ａに導入され、仕切１２によってせき止められて風下側チューブ２ａ，２ａ，…内を下降し、風下側下部タンク部９に至り、この風下側下部タンク部９内を長手方向に流れた後、風下側チューブ２ａ，２ａ，…内を上昇して風下側上部タンク部８の第２タンク部８ｂに至る。そして、冷媒は、この第２タンク部８ｂ内を長手方向に流れる（風下側冷媒通路Ａ）。
【００２４】
そして、冷媒は、上記第２タンク部８ｂ及び風上側下部タンク部７の第２タンク部７ｂ間に設けられた連通路１０を通って第２タンク部８ｂから第２タンク部７ｂに流れる。
【００２５】
次いで、上記第２タンク部７ｂにおいて仕切１２によってせき止められた冷媒は、第２タンク部７ｂから風上側チューブ２ｂ，２ｂ，…を上昇して風上側上部タンク部６に至る。冷媒は、この風上側上部タンク部６内を長手方向に流れた後、風上側チューブ２ｂ，２ｂ，…内を下降して風上側下部タンク部７の第１タンク部７ａに至る。そして、冷媒は、この第１タンク部７ａから出口１５を通って出ていくようになっている（風上側冷媒通路Ｂ）。
【００２６】
このように、風下側冷媒通路Ａを２パス通路に、また風上側冷媒通路Ｂを２パス通路とすることで、同時に冷媒が流れる風下側及び風上側冷媒通路Ａ，Ｂの全体のチューブ２ａ，２ａ，…、２ｂ，２ｂ，…に対する分割数は等しくなっている。なお、この場合、冷媒の通路は風上側と風下側とで等しければ、２パス通路でも３パス通路でもよい。
【００２７】
よって、風下側及び風上側冷媒通路Ａ，Ｂの分割数が同じであるため、冷媒が同時に流れる風下側チューブ２ａ，２ａ，…と風上側チューブ２ｂ，２ｂ，…とは本数が同じとなり、全体のチューブ２ａ，２ａ，…及び２ｂ，２ｂ，…の１／２にそれぞれ冷媒が流れるようになっている。このことで、冷媒が流れる風上側チューブ２ｂ，２ｂ，…の全通路断面積がＬ２に比例し、風下側チューブ２ａ，２ａ，…の全通路断面積がＬ１に比例する。
【００２８】
そして、冷媒が同時に流れる風下側チューブ２ａ，２ａ，…の全通路断面積と風上側チューブ２ｂ，２ｂ，…の全通路断面積とが風下側全通路断面積／風上側全通路断面積＝４０〜８０％（４０％以上でかつ８０％以下）となっている。
【００２９】
したがって、本発明の実施形態１に係る熱交換器１によると、コア幅Ｌを４０ｍｍ以下にすることにより、コンパクトな熱交換器１が得られるとともに、風下側全通路断面積／風上側全通路断面積＝４０〜８０％とすることにより、コンパクトな熱交換器とした場合の熱交換効率が改善される。
【００３０】
また、フィン開口面積／全開口面積＝７０％以下とすることで、チューブ２ａ，２ａ，…、２ｂ，２ｂ，…の割合を一定以上に保って、熱交換効率の悪化を防ぐことができる。
【００３１】
よって、熱交換器１を小型化して、冷媒通路を小さくし、個々の冷媒通路の面積が減少した場合でも、冷媒が流れる風上側チューブ２ｂ，２ｂ，…の全通路断面積を風下側チューブ２ａ，２ａ，…の全通路断面積に比べて大きくすることで、液体の冷媒がガス化する度合が高い風上側の冷媒通路の断面積を相対的に大きくして圧損が低減される。
【００３２】
（実施形態２）
図４は本発明の実施形態２を示す（尚、以下の各実施形態では、図１〜図３と同じ部分については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する）。
【００３３】
本実施形態２では、上記実施形態１のように風下側チューブ２ａの幅Ｌ１と、風上側チューブ２ｂの幅Ｌ２を異なるものにするのではなく、同じ幅Ｌのチューブ２ａ，２ｂ，２ｂを３列配設した。
【００３４】
本実施形態２では、上記実施形態１と同様に風下側及び風上側冷媒通路Ａ，Ｂは、それぞれ２パス通路となっている。そして、風下側冷媒通路Ａは風下側チューブ２ａ，２ａ，…の１列からなり、風上側冷媒通路Ｂは、風上側チューブ２ｂ，２ｂ，…の２列分からなっている。
【００３５】
よって、冷媒は風下側では風下側チューブ２ａ，２ａ，…の１列を、また風上側では風上側チューブ２ｂ，２ｂ，…の２列分を同時に流れるようになっている。
【００３６】
このように、本発明の実施形態２に係る熱交換器１によると、冷媒が同時に流れる複数のチューブ２ｂ，２ｂ，…を下流側の風上側に少なくとも２列配設しているので、上流側の風下側に比べて冷媒通路断面積を大きくでき、管内圧損を効果的に低減できる。
【００３７】
なお、このことで、風下側と風上側とで同じ大きさのチューブを使うことができる。
【００３８】
（実施形態３）
図５は本発明の実施形態３を示し、風下側下部タンク部９にも、仕切１２が設けられて第１タンク部及び第２タンク部９ａ，９ｂに仕切られている点及び各仕切１２の位置とが上記実施形態１と異なる。
【００３９】
次に、本実施形態３に係る熱交換器１の作動について説明すると、冷媒は、入口部１４より風下側上部タンク部８の第１タンク部８ａに導入され、仕切１２によってせき止められて風下側チューブ２ａ，２ａ，…内を下降し、風下側下部タンク部９の第１タンク部９ａに至り、この第１タンク部９ａ内を長手方向に流れた後、仕切１２によってせき止められて風下側チューブ２ａ，２ａ，…内を上昇して風下側上部タンク部８の第２タンク部８ｂに至る。この第２タンク部８ｂ内を長手方向に流れた後、風下側チューブ２ａ，２ａ，…内を下降して風下側下部タンク部９の第２タンク部９ｂに至る（風下側冷媒通路Ａ）。
【００４０】
そして、冷媒は、上記第２タンク部９ｂ及び風上側下部タンク部７の第２タンク部７ｂ間に設けられた連通孔（図示せず）を通って上記第２タンク部９ｂから風上側下部タンク部７の第２タンク部７ｂに流れる。
【００４１】
次いで、上記第２タンク部７ｂにおいて仕切１２によってせき止められた冷媒は、第２タンク部７ｂから風上側チューブ２ｂ，２ｂ，…を上昇して風上側上部タンク部６に至る。この風上側上部タンク部６内を長手方向に流れた後、風上側チューブ２ｂ，２ｂ，…内を下降して風上側下部タンク部７の第１タンク部７ａに至った後、この第１タンク部７ａから出口１５を通って出ていくようになっている（風上側冷媒通路Ｂ）。
【００４２】
このように、風下側冷媒通路Ａを３パス通路とし、風上側冷媒通路Ｂを２パス通路とすることで、同時に冷媒が流れる風上側冷媒通路Ｂの全通路断面積は風下側冷媒通路Ａの全通路断面積に対して相対的に大きくなっている。
【００４３】
したがって、本実施形態３の蒸発器１によると、仕切１２，１２，…の位置を変更してパス通路を変更することで、同時に流れる冷媒通路の断面積を風下側と風上側とで簡単に変更することができる。
【００４４】
【実施例】
次に、具体的に実施した実施例について説明する。
【００４５】
本実施例では、上記実施形態１の熱交換器１と同様のものを使用し、風下側チューブ２ａの幅Ｌ１及び風上側チューブ２ｂの幅Ｌ２を変化させることで、同時に流れる風上側冷媒通路Ｂの全通路断面積及び風下側冷媒通路Ａの全通路断面積の割合を変化させて、熱交換効率の相対的変化を実験した。
【００４６】
図６に示すように、風下側全通路断面積／風上側全通路断面積＝４０〜８０％にすると、熱交換率がよいことが判った。
【００４７】
また、フィンが占める開口面積と全開口面積の比を変化させて熱交換効率の相対的変化を実験した結果を図７に示す。
【００４８】
図７によると、フィン開口面積／全開口面積＝７０％以下と設定すると熱交換率がよいことが判った。また、好ましくは、フィン開口面積／全開口面積の下限を４０％とすることのがよいことが判った。
【００４９】
よって、本実施例では、熱交換器を小型化して冷媒通路が小さくなり、個々の冷媒通路の面積が減少した場合でも、冷媒通路の通過面積を風下側と風上側とで同じにするのではなく、液体の冷媒がガス化する度合が高い風上側の冷媒通路の面積を相対的に大きくすることで圧損を低減できることが判明した。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明の複列型熱交換器によると、複数のチューブの列を風下側及び風上側に２分し、冷媒が同時に流れる風下側チューブの全通路断面積と風上側チューブの全通路断面積とを、風下側全通路断面積／風上側全通路断面積＝４０〜８０％（４０％以上でかつ８０％以下）とし、フィンが占める開口面積と全てのチューブ及びフィンが占める全開口面積との比を、フィン開口面積／全開口面積＝７０％以下とし、コア幅を４０ｍｍ以下としたことにより、高性能でコンパクトな熱交換器を実現できる。
【００５１】
請求項２の発明によると、冷媒が同時に流れる複数のチューブを風下側に１列配設するとともに、風上側に少なくとも２列配設したことにより、管内圧損を効果的に低減できる。
【００５２】
請求項３の発明によると、風上側及び風下側にそれぞれ１列の冷媒通路を形成し、この冷媒通路にそれぞれ仕切を設け、冷媒が、風下側冷媒通路に導入されて該風下側冷媒通路内をＵターンして流れ、風上側冷媒通路に移されて該風上側冷媒通路をＵターンして流れて出て行くものであって、風下側冷媒通路を３パス通路で構成されるとともに、風上側冷媒通路を２パスで構成したことにより、簡単な構成で下流側の冷媒通路の管内圧損を上流側の冷媒通路に比べて低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係る熱交換器を示す斜視図である。
【図２】熱交換器の要部を示す拡大斜視図である。
【図３】熱交換器の要部を示す断面図である。
【図４】実施形態２の図３相当図である。
【図５】実施形態３の図１相当図である。
【図６】風下側全通路断面積／風上側全通路断面積及び熱交換率の関係を示す図である。
【図７】フィン開口面積／全開口面積フィン開口面積及び熱交換率の関係を示す図である。
【符号の説明】
１熱交換器
２ａ風下側チューブ
２ｂ風上側チューブ
３フィン
６〜９タンク部
Ａ風下側冷媒通路
Ｂ風上側冷媒通路
Ｌコア幅

Claims

一対のタンク部間に空気の流れる方向と直交するように積層されたチューブが少なくとも２列連結され、該チューブ間にフィンを配設して構成される複列型熱交換器において、
上記複数のチューブの列は風下側及び風上側に２分され、
冷媒が同時に流れる上記風下側チューブの全通路断面積と風上側チューブの全通路断面積とが、
風下側全通路断面積／風上側全通路断面積＝４０〜８０％
であり、
上記フィンが占める開口面積と全てのチューブ及びフィンが占める全開口面積との比が、
フィン開口面積／全開口面積＝７０％以下
であり、
コア幅が４０ｍｍ以下であることを特徴とする複列型熱交換器。
請求項１の複列型熱交換器において、
冷媒が同時に流れる複数のチューブを風下側に１列配設するとともに、風上側に少なくとも２列配設していることを特徴とする複列型熱交換器。
請求項１の複列型熱交換器において、
風上側及び風下側にそれぞれ１列の冷媒通路が形成され、該冷媒通路にそれぞれ仕切を設け、冷媒が、風下側冷媒通路に導入されて該風下側冷媒通路内をＵターンして流れ、風上側冷媒通路に移されて該風上側冷媒通路をＵターンして流れて出て行くものであって、
上記風下側冷媒通路は３パス通路で構成されるとともに、上記風上側冷媒通路は２パスで構成されていることを特徴とする複列型熱交換器。